ВАКУУМНОЕ РЕЛЕ Российский патент 2015 года по МПК H01H51/29 G01L19/12 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высоковольтным высокочастотным вакуумным выключателям и переключателям (далее - вакуумным реле) с электромагнитным приводом поляризованного типа на постоянных магнитах, предназначенным для бестоковой коммутации мощных высоковольтных электрических и высокочастотных радиотехнических цепей.

Вакуумные реле могут быть использованы в стационарной, передвижной и бортовой электротехнической и радиотехнической аппаратуре в качестве коммутационного элемента.

Известны вакуумные реле с электромагнитным приводом поляризованного типа, предназначенные для указанных выше целей, имеющие ряд существенных недостатков.

В вакуумных переключателях, описанных в [1 и 2], передача усилий от сердечника электромагнита к подвижному контакту вакуумной коммутационной камеры осуществляется посредством подвижного сочленения, преобразующего поступательное движение сердечника во вращательное движение рычага подвижного контакта относительно мембраны [1] или оси сильфонного механизма передачи движения [2] (далее - сильфона). Подвижное сочленение выполнено в виде поводка, одним концом неподвижно закрепленного в сердечнике, а вторым подвижно расположенного внутри втулки рычага подвижного контакта.

Общим недостатком конструкции такого сочленения является наличие люфтов, обусловленных допусками на сопрягаемые поверхности, которые в процессе работы реле имеют тенденцию к увеличению из-за трения и износа поверхностей поводка и втулки. Следствием этого может быть нарушение регулировок контактного нажатия вплоть до отсутствия контактирования (отказ).

Другим недостатком конструкции является стремление сердечника к перекосу во втулке направляющей (как естественной механической реакции при преобразовании поступательного движения сердечника во вращательное рычага подвижного контакта). Даже при незначительных перемещениях сердечника это будет вызывать повышенное трение и возможное заклинивание между сердечником и втулкой направляющей.

Следующим недостатком является наличие трения и износа между собственно сердечником и втулкой направляющей. Для уменьшения влияния указанного недостатка применяют два постоянных магнита, расположенных симметрично относительно сердечника и создающих магнитное поле, которое должно поддерживать сердечник в нейтральном (относительно полюсов магнитов) положении. Однако на практике довольно сложно подобрать магниты с абсолютно одинаковыми характеристиками. Поэтому всегда имеет место преобладающее притяжение одного из магнитов, что также сказывается на увеличении трения. При этом постоянные магниты, создавая поляризующий магнитный поток, никак не влияют на снижение трения в других подвижных частях реле.

Кроме того, в вакуумном переключателе, описанном в [1], подвеска рычага подвижного контакта осуществляется с помощью тонкостенной мембраны (одновременно являющейся элементом-разделителем сред «воздух-вакуум»), при этом под воздействием атмосферного давления мембрана испытывает повышенные механические внутренние напряжения.

Недостатком данной конструкции является наличие повышенных механических внутренних напряжений мембраны, что при перемещении подвижного контакта приводит к увеличению усилий на ее деформацию и снижению ее циклической прочности.

В случае переключателя, описанного в [2], разделителем сред является тонкая гофрированная трубка - сильфон, а рычаг управления подвижным контактом подвешен на оси. При этом атмосферное давление воздействует на ось.

Недостатком данной конструкции является увеличенное усилие на перемещение подвижного контакта из-за повышенного трения в паре ось-рычаг подвижного контакта.

Таким образом, в рассмотренных выше конструкциях вакуумных переключателей имеет место проблема наличия паразитных люфтов, повышенного трения в подвижных элементах реле и воздействие некомпенсированного атмосферного давления на разделитель сред «воздух-вакуум», что отрицательно сказывается на быстродействии реле, потребляемой мощности на управление и, в конечном счете, на надежности работы реле.

Техническим результатом предложенного технического решения является улучшение быстродействия, снижение мощности на управление и повышение надежности работы реле.

Технический результат достигается тем, что в вакуумном реле, содержащем вакуумную камеру с закрепленными на высоковольтных выводах и изолированными друг от друга неподвижными контактами, подвижный контакт, укрепленный на гибком элементе, расположенный между неподвижными контактами и механически связанный через изолятор с сердечником электромагнитного привода поляризованного типа на постоянных магнитах с встроенным механизмом регулирования контактного нажатия, подвижный контакт жестко соединен с сердечником электромагнитного привода в единый рычаг с возможностью свободного перемещения относительно гибкого элемента без люфтов и трения, поляризующий постоянный магнит расположен на продольной оси реле таким образом, что сила его воздействия на сердечник направлена против давления атмосферного воздуха на гибкий элемент - разделитель сред «воздух-вакуум», длина сердечника должна быть больше поперечного сечения постоянного магнита по направлению хода сердечника по меньшей мере на удвоенную величину максимального хода сердечника, параметры цепи постоянного магнита подбираются (рассчитываются) таким образом, чтобы сила воздействия постоянного магнита на сердечник составляла 0,25-0,8 от силы давления атмосферного воздуха на гибкий элемент-разделитель сред «воздух-вакуум».

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез вакуумного реле на «замыкание-размыкание» с мембранной; на фиг.2 - фрагмент исполнения реле на «переключение» с мембранной, на фиг.3 - фрагмент исполнения реле с сильфоном и подвеской на оси рычага подвижного контакта.

Конструкция вакуумного реле состоит из высокочастотной части и электромагнитного привода поляризованного типа и элементов, их соединяющих.

Высокочастотная часть состоит из вакуумной коммутационной камеры и деталей, изолирующих камеру от заземленных элементов крепления и электромагнитного привода.

Камера вакуумная представляет собой замкнутый объем, ограниченный изолирующим керамическим кольцом 6, к торцам которого припаяны высокочастотные выводы 1 и 2, колпачок 3 и мембрана 10. Внутри вакуумной камеры находятся неподвижный 5 и подвижный 11 контакты. Неподвижный контакт припаян к выводу 1, а подвижный - к мембране 10 и жестко связан посредством керамического стержня 12 и оси 20 с сердечником 21. Шайба 4 служит для обеспечения надежности несогласованного спая металл-керамика. Все детали вакуумной камеры соединены между собой вакуумноплотно.

Второе керамическое кольцо 6 вместе со стержнем 12 изолируют вакуумную камеру от электромагнита и соединяют их посредством переходного кольца 7 и цилиндра 13.

Для крепления в аппаратуре служит фланец 8.

Электромагнитный привод состоит из магнитопровода в виде трубы 14, заглушек 18 и 19, винтов регулировочных (стопов) 9 и 15 и сердечника 21, а также постоянного магнита 22 и обмоток управления 16. Обмотки управления изолированы от магнитопровода электромагнита посредством каркасов 24, цилиндра 23, изолятора 25 и имеют выводы 17 для подсоединения к внешней схеме управления.

Принцип работы реле описан применительно к фиг.1.

Замыкание или размыкание реле происходит за счет перемещения подвижного контакта 11 и фиксации его в замкнутом или разомкнутом положениях. Подвижный контакт жестко связан с сердечником электромагнита, и положение его определяется положением сердечника 21.

Удержание подвижного контакта 11 в каждом из двух фиксированных положений осуществляется с помощью магнитного поля постоянного магнита 22 за счет разницы в силе, воздействующей на сердечник 21 в рабочих зазорах электромагнита.

Для размыкания (замыкания) контактов 5 и 11 на соответствующую обмотку управления электромагнитного привода подают импульс напряжения, создающий магнитный поток, действующий на сердечник. Обмотки намотаны (включены) таким образом, что они создают магнитный поток встречного направления. Суммируясь или вычитаясь с магнитным потоком постоянного магнита в рабочих зазорах электромагнитного привода, он создает преобладающую силу притяжения, способствующую срабатыванию реле.

Конструкция вакуумного реле с мембраной, представленная на фиг.2, отличается от вышеописанной тем, что в состав вакуумной камеры включена дополнительная секция, состоящая из неподвижного контакта 5, установленного на выводе 1, изолированного от вывода 2 керамическим кольцом 6. Расположение секции обеспечивает переключение вывода 2 посредством удлиненного подвижного контакта 11 на неподвижные контакты 5 основной и дополнительной секций вакуумной камеры.

На фиг.3 представлен фрагмент вакуумного реле с сильфоном и подвеской рычага подвижного контакта на оси. Подробное описание конструкции и принципа действия приведены в [1 и 2]. Подобная конструкция используется для реле, рассчитанных на более высокие значения пропускаемых токов и подаваемых напряжений, имеющих значительные габариты вакуумной камеры, большие межконтактные зазоры и, как следствие, повышенное давление атмосферы на разделитель сред "воздух-вакуум". Отличия от вышеописанных конструкций состоит в том, что в качестве разделителя сред используется сильфон 25, а подвеской рычага подвижного контакта - ось 26. На оси вращается шток 27, который одним концом соединен посредством заглушки 28 с керамическим стержнем 29 - изолятором подвижного контакта, а вторым - с сердечником электромагнита. Сильфон, в свою очередь, вакуумноплотно соединен с заглушкой 28, с другой - со стаканом 30, который соединяет вакуумную камеру и электромагнитный привод, одновременно являясь опорой оси рычага подвижного контакта. Завершает вакуумную оболочку в области сильфонного разделителя сред стакан 31, соединяющий керамическое кольцо 32 со стаканом 30.

Предлагаемая конструкция несмотря на некоторые различия в исполнении аналогов (прототипов) одинаково применима в обоих случаях.

Повышение быстродействия (времени срабатывания) достигается за счет:

- исключения люфтов в промежуточных соединениях при передаче усилий от сердечника электромагнита к подвижному контакту (использование единого рычага);

- уменьшения внутренних механических напряжений в гибком элементе-разделителе сред «воздух-вакуум» благодаря расположению постоянного магнита, поле которого, воздействуя на сердечник, противодействует атмосферному давлению;

- снижения сил трения в подвеске подвижного контакта до их полного исключения при перемещении сердечника во втулке направляющей.

Снижение мощности на управление достигается путем оптимизации конструкции и параметров электромагнитного привода, а именно:

- снижения ампервитков срабатывания для перемещения сердечника на меньшее расстояние (за счет исключения люфтов) и уменьшение усилий на перемещение (полное или частичного исключение трения);

- снижения потерь энергии постоянного магнита за счет сведения к минимуму боковых полей рассеивания путем применения сердечника, длина которого должна быть больше поперечного сечения постоянного магнита по направлению хода сердечника по меньшей мере на удвоенную величину максимального хода сердечника;

- выбора материала постоянного магнита, площади сечения его полюсов, магнитного зазора между ним и сердечником таким образом, чтобы сила воздействия постоянного магнита на сердечник составляла 0,25-0,8 от силы давления атмосферного воздуха на гибкий элемент-разделитель сред «воздух-вакуум».

Высокая надежность реле (повышение наработки, коммутационной циклопрочности, срока службы и сохраняемости) обеспечивается всей совокупностью предлагаемых конструкторских решений.

Литература

1. Патент Российской Федерации №2076371 кл. Н01Н 33/66, 1994 г.

2. Патент Российской Федерации №2066891 кл. Н01Н 33/66, 1994 г.

Изобретение относится к конструкции вакуумного реле, предназначенного для коммутации без нагрузки мощных высоковольтных цепей. В вакуумном реле согласно изобретению подвижный контакт жестко соединен с сердечником электромагнитного привода в единый рычаг, который перемещается при отсутствии трения и люфтов, а расположение постоянного магнита и его поле, воздействуя на сердечник, противодействует давлению атмосферного воздуха на гибкий элемент-разделитель сред «воздух-вакуум». Регулирование величины магнитного поля обеспечивается с помощью определенного соотношения длины сердечника и поперечного сечения постоянного магнита по направлению хода сердечника, а также подбором параметров магнитной цепи постоянного магнита. Технический результат - повышение надежности, износостойкости, быстродействия реле и снижение мощности его управления. 3 ил.

Вакуумное реле, содержащее вакуумную камеру с закрепленными на высоковольтных выводах и изолированными друг от друга неподвижными контактами, подвижный контакт, укрепленный на гибком элементе, расположенный между неподвижными контактами и механически связанный с сердечником электромагнитного привода поляризованного типа на постоянных магнитах с встроенным механизмом регулирования контактного нажатия, отличающееся тем, что:
- подвижный контакт жестко соединен с сердечником электромагнитного привода в единый рычаг с возможностью перемещения относительно элемента-разделителя сред «воздух-вакуум» без люфтов и трения;
- постоянный магнит расположен на продольной оси реле таким образом, что сила его воздействия на сердечник направлена против давления атмосферного воздуха на элемент-разделитель сред «воздух-вакуум», а материал постоянного магнита, площади сечения его полюсов, магнитный зазор между ним и сердечником выбираются таким образом, чтобы сила воздействия постоянного магнита на сердечник составляла 0,25-0,8 силы давления атмосферного воздуха на гибкий элемент-разделитель сред «воздух-вакуум»;
- длина сердечника больше поперечного сечения постоянного магнита по направлению хода сердечника по меньшей мере на удвоенную величину максимального хода сердечника с целью снижения потерь энергии постоянного магнита за счет сведения к минимуму боковых полей рассеивания.